Поиск

Способы выражения водных констант почв и грунтов
28.03.2015

Все рассмотренные водные константы, за исключением водопроницаемости и коэффициента фильтрации, выражаются в процентах от веса сухой почвы или грунта.
Выше было указано и на то, что водные константы должны определяться в почвенно-грунтовой толще послойно. Между тем растения охватывают своими корнями всю почвенную толщу. Поэтому при решении некоторых вопросов почвенной гидрологии, связанных с выращиванием растений, например с влагообеспеченностью последних, мы должны владеть методами, позволяющими охарактеризовать ту или иную водную константу применительно ко всему корнеобитаемому слою, ко всей почве, а иногда и ко всей почвенно-грунтовой толще до глубины залегания грунтовых вод.
При решении таких задач можно было бы, казалось, прибегнуть к вычислению среднего значения соответствующих констант из значений, относящихся к отдельным слоям или генетическим горизонтам почвы. Такие средние величины были бы, однако, чисто фиктивными, так как они относились бы к толще, заведомо неоднородной в отношении интересующих нас свойств. Кроме того, процентное содержание влаги не дает представления о том общем количестве влаги, которое может быть использовано растениями или, наоборот, остается для них недоступным или трудно доступным.
Поэтому мы в таких случаях прибегаем к другому способу выражения водных констант и влажности почвы или грунта — к методу вычисления запасов влаги, соответствующих той или иной константе, с которыми можно сопоставить запас влаги в почве или грунте в тот или иной момент.
Основными величинами, которые необходимы для таких расчетов, являются:
1) удельный вес почвы или грунта (УВ);
2) объемный вес почвы или грунта (OB), выражается в г/см3 при естественном сложении почвы или грунта;
3) порозность почвы (П), выражается в процентах от объема почвы или грунта;
4) максимальная гигроскопичность (МГ), выражается в процентах от веса сухой почвы или грунта;
5) влажность разрыва капиллярной связи (BPK), выражается так же;
6) наименьшая влагоемкость (HB), выражается так же;
7) влажность завядания (ВЗ), выражается так же;
8) полная влагоемкость (ПВ), выражается так же;
9) полевая влажность в данный момент (В), выражается так же;
10) диапазон активной влажности (ДАВ), выражается так же.
Все эти величины, как мы уже знаем, принято определять для каждого 10-сантиметрового слоя почвы или грунта с учетом границ генетических горизонтов почв или отдельных членов наноса грунтовой толщи. Глубина, до которой должны быть определены эти величины, зависит от типа почвы, целей исследования и природных условий. В условиях лесной зоны эта глубина по большей части может ограничиваться 1,5 м, самое большее — 2 м. В условиях лесостепной, степной и полупустынной зон, учитывая глубину проникновения корней некоторых трав, а также древесных растений, эта глубина должна достигать 3—4 м, а иногда и более. При залегании уровня грунтовых вод на глубине не свыше 6—8 м образцы берутся до этой глубины, в особенности при почвенномелиоративных исследованиях.
Из перечисленных выше величин непосредственно определяются удельный и объемный веса почвы, максимальная гигроскопичность, влажность завядания, наименьшая влагоемкость и полевая влажность в данный момент.
Порозность почвы и полная влагоемкость вычисляются по удельному и объемному весам почвы.
Если влажность завядания определяется экспериментально, то максимальную гигроскопичность определять не обязательно. Максимальная гигроскопичность может служить для косвенного определения влажности завядания, для чего МГ умножают на эмпирический коэффициент. Диапазон активной влажности вычисляется по разности между наименьшей влагоемкостью и влажностью завядания.
Теперь все интересующие нас водные свойства имеют количественную характеристику, будучи выражены в процентах от веса сухой почвы.
В табл. 5 в графах 6—10 приводятся эти данные для мощного чернозема Курской области, который взят в качестве примера.

Способы выражения водных констант почв и грунтов
Способы выражения водных констант почв и грунтов

Переходим теперь к вопросу о вычислении запасов влаги. Они могут выражаться либо в м3/га, либо в миллиметрах водного слоя. Последний способ удобнее, так как получающиеся величины, во-первых, не зависят от площади, а во-вторых, могут непосредственно сопоставляться с величинами атмосферных осадков, которые, как известно, тоже выражаются в миллиметрах водного слоя.
Вычисление запаса влаги производится следующим образом:
Пусть [К] есть константа, для которой мы хотим сделать расчет, выраженная в процентах от веса сухой почвы, а [М] — мощность слоя почвы в сантиметрах, для которого определена величина [К].
Представим себе призму почвы с основанием в 1 дм2 и высотой [М] ом. Ее объем будет, очевидно, равен 100 [М] см3, а вес сухой почвы в этом объеме 100 * [М] * [ОВ] г. Если константа равна [К]% от веса сухой почвы, то при влажности почвы, равной [К], в призме будет содержаться:
100*[М]*[ОВ]*[К]/100 = [М]*[ОВ]*[К] г или см3 воды.

При площади призмы, равной по условию 100 см2, эта вода занимает слой толщиной
Способы выражения водных констант почв и грунтов

Такие вычисления необходимо сделать для каждого слоя и для каждой водной константы. Подставляя в эту формулу вместо [К] величины [ВЗ], [HB], [BPK] и т. д., выраженные в процентах от веса сухой почвы, получим величины запасов влаги в данном слое, соответствующие этим константам. Совершенно так же вычисляется и запас влаги, соответствующий естественной влажности в тот или иной интересующий нас момент.
Полученные величины мы может теперь просуммировать для слоя почвы или грунта любой мощности. В табл. 5 (графы 11—15) эти суммы даны по полуметровым слоям.
Величины запасов влаги, вычисленные в миллиметрах водного слоя, очень легко пересчитать в м3/га. Так как 1 мм водного слоя на 1 га соответствует 10 м3, то, умножив величину запаса, выраженную в миллиметрах водного слоя, на 10, мы получим запас влаги в м3/га.
Сопоставляя величины запаса влаги в почве в то или иное время с величинами запасов, соответствующими водным константам, в особенности ВЗ и HB, мы можем объективно количественно охарактеризовать степень обеспеченности растений влагой.
Пример такой характеристики дается в табл. 5 (графы 16—19).
В графе 16 дается влажность почвы в процентах от веса сухой почвы в момент сильной засухи. В графе 17 даны общие запасы влаги в этот же момент. Величины запаса получены путем умножения влажности, выраженной в процентах от веса почвы, на объемный вес и на мощность слоя в сантиметрах.
Однако по величинам общих запасов влаги нельзя судить о влагообеспеченности растений, ибо мы не знаем, сколько в этом запасе имеется доступной для растений влаги. Для ответа на этот вопрос в графе 18 вычислен запас влаги доступной. Эти величины получены путем вычитания из общего запаса влаги (графа 17) запаса, соответствующего величине ВЗ (графа 12). Сопоставляя запасы доступной влаги с запасами, соответствующими ДАВ, мы видим, что во всей 2,5-метровой толще ее осталось всего лишь 162 мм, при ДАВ, равном 503 мм. Следовательно, примерно, две трети всей доступной влаги, которая может удерживаться почвой, к этому моменту из 2,5-метровой толщи были израсходованы. При этом в слое 0—50 см запас доступной влаги равен 7 мм, т. е. почти не отличается от нуля. В слое 50 — 100 см он весьма мал и достигает лишь 20 мм. В глубже лежащих слоях величина его постепенно возрастает, но даже в слое 200—250 см осталось лишь немногим больше половины запаса, соответствующего ДАВ (54 из 96 мм).
Последняя графа (19) таблицы показывает, сколько влаги не хватает до запаса, соответствующего HB, т. е. до наибольшего запаса, который может быть удержан почвой.
Эти цифры говорят о том, сколько влаги нужно ввести в почву, например, путем орошения, чтобы довести влагообеспеченность до возможного максимума, который в этих условиях является одновременно и оптимумом. Если в соответствии с потребностями культуры и присущей ей мощности корнеобитаемого слоя окажется необходимым довести запас влаги до максимальной величины в слое, например, 150 см, то нужно дать полив в размере 116+79+55 = 250 мм, т. е. 2500 м3/га.
Фактическая поливная норма должна быть несколько выше за счет потерь на испарение во время полива, на фильтрацию в подводящей сети и т. д.
Помимо почвенно-гидрологических подсчетов, пример которых мы только что приводили, водные константы почв и грунтов бывают необходимы для суждения о качестве влаги, содержащейся в почве или грунте при данной влажности.
Представим себе такой случай, когда слой песка подстилается слоем суглинка. Влажность песчаного слоя пусть равна 7%, а суглинка — 15%. В каком направлении будет двигаться влага — из песка в суглинок или наоборот?
Судя по приведенным цифрам, суглинок как будто «влажнее» песка и поэтому «более сухой» песок должен, казалось бы, высасывать влагу из суглинка. Однако на самом деле это не так. Сопоставим названные влажности с такой константой, как наименьшая влагоемкость. Ее величины, допустим, равны: для песка — 5%, для суглинка — 20%. Следовательно, влажность песка выше, чем HB, а суглинка — ниже. Значит, в песке есть свободная гравитационная влага, в суглинке же ее нет и имеется только влага связанная. Поэтому влага будет передвигаться из песка в суглинок, хотя первый из них и является как будто более сухим, судя по величинам весовой влажности.
Из этого примера видно, что о свойствах и поведении влаги в почвах и грунтах нельзя судить по цифрам абсолютной влажности. Эти цифры не могут дать нам истинного представления о том, какая почва «суше» или «влажнее». Поясним, что в данном случае, говоря о «сухости» или «влажности» почвы, мы имеем в виду величину той силы, с которой влага удерживается в почве при данной влажности. Чем почва влажнее, тем эта сила меньше. Она становится равной нулю при влажности почвы, равной ПВ, и, наоборот, достигает своей наибольшей величины в почве совершенно сухой.
Можно считать, что при влажности, равной той или иной константе, влага в различных почвах удерживается, примерно, с одной и той же силой, независимо от свойств почвы и абсолютной величины влажности.
Иными словами, мы должны уметь вычислять не только абсолютную влажность почв и грунтов (которая выражается в процентах от веса сухой почвы), но и их относительную влажность: по ней мы судим о той силе, с которой влага удерживается в почве. Прямое измерение этих сил возможно, но довольно сложно. Проще определять относительную влажность путем сопоставления влажности с величинами водных констант. Для этого приходится пользоваться такими константами, как МГ, ВЗ, BPK, HB и ПВ.
Наиболее простым случаем является тот, когда сравниваемые влажности лежат в различных интервалах этого ряда, как это имело место в рассмотренном выше примере, где влажность песка находилась в интервале HB—ПВ, а влажность суглинка в интервале ВЗ—HB. В тех случаях, когда сравниваемые влажности лежат в одном и том же интервале, приходится прибегать к расчету, определяя, в какой части интервала лежит каждая из них.
Приведем пример такого расчета.
Допустим, что сравнивается влажность двух суглинков. Для них известны влажности завядания, равные 6% для первого и 12% для второго, и величины HB, равные соответственно 18% и 22%. Сравниваемые величины абсолютных влажностей равны 13% для первого и 16% для второго. Какой из суглинков относительно влажнее?
Вычислим, в каких частях интервалов ВЗ—HB лежат влажности этих суглинков.
У первого суглинка абсолютная влажность превышает ВЗ на 13 — 6 = 7%, а весь интервал HB—ВЗ равен 18—6=12%. Следовательно, влажность этого суглинка превышает ВЗ на 7/12, что равно 0,58 всей величины интервала. Для второго суглинка таким же путем найдем величину, равную 16-12/22/12=0,4 интервала HB—ВЗ. Следовательно, первый суглинок относительно влажнее, хотя его абсолютная влажность и ниже.